Стальной конвейер.

Проблема создания непрерывного металлургического процесса сама по себе очень актуальна, и как в нашей стране, так и за рубежом ведутся исследовательские работы, призванные решить эту задачу. В последние годы группа инженеров ЦНИИчермета им. И.П. Бардина, руководимая доктором технических наук Г.П. Иванцовым, получила авторские свидетельства на новый агрегат непрерывного сталеварения, который предназначен решить проблемы создания нового сталеплавильного процесса.

Периодические процессы характерны проведением в некотором замкнутом объеме или зоне последовательного комплекса операций обработки, в результате чего поданный в этот объем исходный материал постепенно изменяет свои свойства (форму, состав, температуру и т.д.) и превращается в требуемый продукт, который затем единовременно выгружается из зоны обработки. Затем цикл повторяется с новой порцией исходного материала. Таким образом, при периодическом процессе свойства обрабатываемого материала меняются во времени, а сам процесс проводится в замкнутом объеме единовременной загрузкой материала (возможно, отдельными порциями) и единовременным выпуском продукта. Наиболее известные примеры периодического процесса – ремонт механизмов в мастерских, строительство крупных кораблей, плавка металла в печах ванного или конвертерного типа.

Непрерывный процесс, наоборот, обязательно осуществляется в незамкнутом объеме в условиях потока – в проточных сосудах для обработки жидкости или газа, на конвейерах сборочных линий и т.п. На каждом участке этого потока режим обработки материала всё время поддерживается неизменным, всё время осуществляется одна и та же операция. Если операций много, то каждая из них может осуществляться в отдельном участке или зоне потока. Движущийся по потоку – по технологической линии – материал постепенно превращается в требуемый продукт, причем в отличие от периодического процесса это превращение происходит по длине линии, т.е. в пространстве, а в каждой точке линии, в каждой зоне операции свойства материала при установившемся, стабильном процессе неизменны во времени. Элементарный пример непрерывного процесса - нагрев воды в змеевиках, в частности, в газовой водонагревательной колонке ванной комнаты.

В чем же принципиальные преимущества непрерывного процесса перед периодическим? Обычный процесс обработки состоит не из одной какой-либо операции, а из целого комплекса таких операций или реакций. И вот оказывается, что наиболее выгодные, оптимальные условия или оборудование для проведения одной ид реакций или операций не похожи на оптимальные условия или оборудование для проведения другой. Например, одна реакция лучше идет при пониженной температуре, а другая – при повышенной, для одной требуется окислительная среда, а для другой – восстановительная; каждую операцию механической обработки заготовки лучше производить на специализированном станке и т.п.

В периодическом процессе, осуществляемом в едином объеме или зоне, для соответствующего чередования условий либо требуются большие затраты времени на перестройку оборудования (деталь обрабатывается на универсальном станке), либо приходится использовать набор сосудов, в каждом из которых проводится определенная операция или группа родственных операций, и затрачивать время на заполнение сосуда, настройку режима обработки, на отделение побочных продуктов от полезных, на опорожнение сосуда и передачу материала к другому сосуду. В процессах, проходящих при высокой температуре, к затратам времени на указанные вспомогательные операции добавляются потери тепла обрабатываемого материала, что ухудшает итоговый коэффициент полезного действия процесса. Это относится, в частности, к расчлененным схемам периодического сталеплавильного процесса, так называемым «дуплекс-процессам» и «триплекс-процессам», когда операции переработки чугуна в сталь проводят последовательно в двух или трёх отдельных сосудах или агрегатах. Такие процессы не привились в широкой металлургической практике, несмотря на преимущества проведения отдельных реакций в оптимальных условиях. Вместо расчлененных схем основное распространение имеют монопроцессы – мартеновский и конвертерный, в которых все основные реакции проводятся в едином объеме рабочего пространства. Однако в таких процессах не могут быть созданы оптимальные условия проведения всех реакций, поскольку физико-химическая природа этих реакций резко различна. Вот как «сталкиваются» эти реакции в сталеплавильном процессе.

Кремний имеет большое сродство с кислородом (как с газообразным, так и с заключенным в окислах железа) и жадно соединяется с ним независимо от состава шлака. Окисление кремния обогащает шлак кремнеземом. Сера переходит в шлак тем успешнее, чем меньше в нём кремнезема и окислов железа.

Для нейтрализации вредного влияния кремнезема на этот процесс в шлак добавляют окись кальция – известь. Отношение содержания извести и кремнезема в шлаке – «основность» шлака – является поэтому важным показателем процесса. Чем больше это отношение, тем лучше условия для десульфурации. Присутствие окислов железа особенно вредно для этого процесса.

Дефосфорация предъявляет противоположные требования в отношении окислов железа в шлаке: их должно быть достаточное количество, так же как и окислов кальция; присутствие кремнезема вредно. Итак, условия десульфурации и дефосфорации прямо противоположны: для дефосфорации нужны окислы железа, для десульфурации они крайне вредны; кремнезем вреден обоим процессам, но его образование неизбежно. Эти примеры можно продолжить.

Поэтому искусство сталеварения на современных агрегатах периодического действия представляет собой, по существу, лавирование между противоположными требованиями всех перечисленных реакций, искусством удовлетворять противоположным требованиям.

В результате в периодических сталеплавильных монопроцессах глубина очистки чугуна от вредных примесей обычно недостаточна для получения стали высокого качества, а расходы материалов на выплавку тонны стали относительно велики.

В черной металлургии сталеплавильный процесс – это единственное звено производственной линии чугун – сталь – прокат, полностью сохранившее до настоящего времени периодический характер. С точки зрения организации всего металлургического цикла, такой процесс, расположенный между полунепрерывным доменным производством и непрерывной разливкой и прокаткой стали, препятствует созданию металлургического завода-автомата с непрерывным процессом производства. С точки зрения собственно сталеплавильного процесса, перевод его на непрерывный характер работы может обеспечить ряд кардинальных преимуществ: позволить создать компактные агрегаты, по своей производительности заменяющие современные цехи, полностью автоматизировать управление процессом, поднять уровень качества стали и её однородности при одновременном снижении себестоимости и т.п. В результате металлургическое производство станет значительно более экономичным, а производительность труда в нём резко возрастет.

Над проблемой непрерывного сталеплавильного процесса в настоящее время усиленно работают как у нас, так и за рубежом. Однако промышленного применения этот процесс ещё не получил. Одна из трудностей в создании такого процесса – проблема повышения стойкости огнеупорной кладки против агрессивного воздействия шлаков.

В современных сталеплавильных агрегатах периодического действия – мартеновских печах, конвертерах, электропечах – температура процесса изменяется в течение плавки: вначале, после загрузки исходных материалов, она относительно невелика, порядка 1000-1200°, а затем постепенно поднимается, достигая в конце процесса, перед выпуском готовой стали, 1600-1650°. Столь высокая температура при наличии жидких шлаков разрушительно действует на огнеупорную кладку печи. Поэтому после выпуска плавки из мартеновской или электрической печи производят «заправку» печи, т.е. ремонт кладки. Если в этих печах время воздействия на кладку высокотемпературных шлаков составляет небольшую долю от длительности всего цикла, то в условиях сталеплавильного агрегата непрерывного действия кладка будет испытывать такое воздействие в течение многих часов, так как агрегат нельзя, конечно, останавливать на ремонт через каждые 4-8 часов.

Одним из путей решения задачи повышения стойкости кладки является разработка такого технологического процесса, который бы существенно облегчил условия службы огнеупорных материалов. Такая технологическая схема изложена в изобретении № 158905 «Способ получения стали в агрегате непрерывного действия» (автор изобретения – доктор технических наук Г.П. Иванцов и группа сотрудников ЦНИИчермета), опубликованном в Бюллетене изобретений № 23 за 1963 г. Формула этого изобретения гласит: «Способ получения стали в агрегате непрерывного действия с последовательным рафинированием жидкого чугуна от вредных примесей и обезуглероживанием, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости огнеупорной футеровки путем снижения агрессивности образующихся шлаков, исходный жидкий чугун с содержанием углерода 4,0-4,5% рафинируют известными средствами при температуре 1300-1400° от серы, кремния и фосфора, а затем рафинированный чугун, содержащий не менее 3% углерода, подвергают обезуглероживанию продувкой кислородом».

Таким образом, удаление примесей, сопровождающееся образованием агрессивных шлаков, производится из чугуна при относительно низких температурах (1300-1400° вместо 1600-1650°), что облегчает условия службы огнеупоров. При высокотемпературном процессе продувки железоуглеродистого расплава кислородом углерод окисляется с образованием газообразной окиси углерода, которая свободно выходит из ванны металла. Шлак при этом будет образовываться лишь в результате окисления железа кислородом, но в небольшом количестве, и поэтому его воздействие на кладку будет ослаблено.

Таким образом, выполнение процесса по такой схеме благоприятно отразится на стойкости кладки.

В этом авторском свидетельстве не уточнена технология удаления из чугуна кремния и фосфора. В последнем авторском свидетельстве № 169132 указывается наиболее целесообразный способ проведения этого процесса, который Г.П. Иванцов изложил в Бюллетене изобретений № 6 за 1965 г. «Способ рафинирования чугуна в агрегате непрерывного действия». Сущность в следующем: «Способ рафинирования чугуна в агрегате непрерывного действия по авторскому свидетельству № 158905, отличающийся тем, что с целью увеличения стойкости футеровки, экономии извести и максимального пригара железа за счет его восстановления из окислов, удаления кремния, марганца и фосфора осуществляют в раздельных, последовательно расположенных аппаратах, причет аппарат для удаления кремния имеет кислую футеровку, а для удаления фосфора – основную».

Если окислять кремний и фосфор одновременно, как это делают в мартеновской печи или конвертере с основной футеровкой (т.е. состоящей из окислов магния, хрома и т.п.), то основными компонентами шлака являются окислы кремния, фосфора, железа и кальция. Последние вводятся в процесс в виде извести или известняка из технологических соображений – иначе удаление фосфора невозможно.

Кислые компоненты шлака, в первую очередь окислы кремния (кремнезем), наиболее активно взаимодействуют с основной футеровкой агрегата и вызывают её разрушение за счет образования силикатов кальция, магния и т.п.

В то же время известно, что кислая футеровка, например, бессемеровских конвертеров, состоящая из (93-95% SiO₂), весьма устойчива к воздействию железисто-кремнеземистого шлака, но разрушается воздействием окиси кальция. Поэтому в предложенной схеме процесса окисление кремния

Si + O₂ = SiO₂ (1)

производится отдельно, без добавок окиси кальция, в аппарате с кислой футеровкой. Сочетание относительно низкой температуры процесса и пассивного по отношению к футеровке состава шлака обеспечивает высокую стойкость кладки этого аппарата.

Удаление фосфора, требующее введения окиси кальция в процессе

2P + 3CaO + 2,5 O₂ = (СаО)₃Р₂О₅, (2)

производится в последующем звене проточной линии агрегата непрерывного действия в аппарате с основной футеровкой. В этот аппарат поступает металл, уже очищенный от кремния, и шлак здесь не содержит кремнезема, вследствие чего увеличивается стойкость основной футеровки аппарата.

Другим преимуществом предложенной схемы является экономия расхода извести. Дело в том, что для удаления фосфора из металла в шлак по формуле (2) последний должен иметь определенную концентрацию свободной, реакционноспособной извести. В случае, если в шлаке присутствует кремнезем, он связывает значительную часть извести в прочные соединения – силикаты кальция

2CaO + SiO₂ = (СаО)₂SiО₂, (3)

делая её нереакционноспособной в отношении фосфора. Образующийся своеобразный силикатный балласт составляет большую часть обычного сталеплавильного шлака, поскольку содержание кремния в чугуне в несколько раз превосходит содержание фосфора.

Если же сначала окислять кремний в печи или аппарате с кислой футеровкой по реакции (1), то не потребуется давать известь на реакцию (3); это дополнительная выгода такого процесса – как в отношении экономии расхода извести, так и экономии тепла, затрачиваемого на её нагрев.

Реакция (1) идет с большим выделением тепла, которое может вызвать ненужное повышение температуры. Чтобы полезно использовать это тепло, в процесс дают железную руду, которая реагирует с кремнием с поглощением тепла по формуле

3Si + 2Fe₂O₃ = 3SiO₂ + 4Fe. (4)

В этом процессе железо из руды восстановится, т.е. будет получен «пригар» железа.

Таким образом, процесс окисления кремния в кислом процессе описывается формулами (1) и (4). Подбирая соответствующую пропорцию руды и кислорода, можно получить изотермическое течение процесса и обеспечить определенный «пригар» железа.

Реакция окисления кремния в основном процессе является сочетанием реакций (1) и (3) и суммарно записывается так

Si + O₂ + 2CaO = (CaO)×SiO₂. (5)

Эта реакция идет также с выделением тепла, но значительно меньшим, чем реакция (1), поскольку известь на реакцию (5) вводится обычно холодной, а часть тепла реакции затрачивается на её нагрев (тепловой эффект реакции (3) невелик и примерно равен затрате тепла на растворение извести). Поэтому расход руды и пригар железа в этом случае значительно меньше. (Написанные уравнения реакций приведены здесь в упрощенном виде, отражающем основную сущность процесса; действительные процессы описываются более сложными формулами).

Теперь сталь готова. Оценим в целом новый агрегат. У него две особенности – высокое качество металла и экономичность. Ведь непрерывный агрегат не требует подвода внешнего тепла и тем напоминает конвертер, а все реакции в нем протекают в идеальных условиях. По аналогии с известной пословицей можно сказать, что «футеровки целы и реакции сыты». Поэтому и срок службы такого агрегата, видимо, будет значительно больше, чем у обычных. В случае же выхода какой-либо камеры из строя, её легко продублировать, не останавливая работу агрегата в целом.

После выхода стали из агрегата она попадает в камеру вакуумирования, где из неё выйдут растворенные газы, а затем сталь рекой потечет в установку непрерывной разливки, совмещенной с непрерывной прокаткой. Так рождается стальной конвейер. Но пока он ещё не полон. В миксер, находящийся в голове агрегата, сливают чугун и расплавленный стальной лом. Ну, с ломом задача несложная: его можно плавить в любой печи и сливать расплав в миксер. А как быть с домнами? Эти великаны, принципы технологии которых сложились ещё в средние века, пока «правят» чугуном. Но нет сомнения, что в скором будущем мы станем свидетелями того, как будут созданы новые агрегаты непрерывного действия для получения чугуна или железа, подобно тому, как сейчас рождается новый способ получения стали. И тогда стальной конвейер станет реальностью.